淺析嵌入式軟件可靠性設(shè)計

1.嵌入式系統(tǒng)可靠性概述

嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置”，是軟件和硬件的綜合體。嵌入式軟件既是電子系統(tǒng)的核心，也是硬件系統(tǒng)的有效補充。需要具備防錯、判錯、糾錯、容錯的功能。嵌入式系統(tǒng)安全性的失效可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，即使是非安全性系統(tǒng)，由于大批量生產(chǎn)也會導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。這就要求對嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式軟件進行嚴格的測試、確認和驗證。

2.嵌入式可靠性技術(shù)國內(nèi)外研究動態(tài)

早期的嵌入式計算機大都是針對具體任務(wù)而設(shè)計的專用計算機。這種專機專用的設(shè)計方法在應(yīng)用中逐漸暴露出許多弊端。首先，設(shè)計成本很高；其次，設(shè)計中有很多低水平重復(fù)性勞動；第三，要配備專用的維護人員，增加了費用等。而嵌入式系統(tǒng)的通用化設(shè)計則可以彌補這些不足。

國外對嵌入式軟件測試的研究始于70年代，軟件測試方法主要是針對單個系統(tǒng)的。在此后的20年，許多研究機構(gòu)針對嵌入式軟件的實時性、嵌入性和反應(yīng)性等問題進行了大量的研究，許多支持嵌入式軟件測試的工具也應(yīng)運而生。很多計算機公司把嵌入式計算機設(shè)計成商用貨架產(chǎn)品，取得相當(dāng)?shù)某晒Α?0年代中后期，國內(nèi)開始對嵌入式軟件測試技術(shù)和測試工具進行研究，多數(shù)產(chǎn)品只應(yīng)用在某一領(lǐng)域，通用化程度有待進一步提高，目前大型的軟件工程都使用國外的軟件測試平臺。

3.嵌入式軟件可靠性特點

（1）實時性對嵌入式軟件可靠性的影響

實時軟件的正確性由功能、行為和時間特性決定。如何對軟件的時間特性進行驗證成為嵌入式軟件可靠性的核心問題之一。對軟件的時間測試可分為靜態(tài)時間分析和動態(tài)實時檢測兩種方法。

靜態(tài)時間分析就是不執(zhí)行被測程序，而通過分析程序結(jié)構(gòu)來預(yù)估程序、子程序執(zhí)行時間的方法，它不知道子程序?qū)嶋H運行時的分支走向和循環(huán)次數(shù)等不確定性因素，因此不能得到程序的實際執(zhí)行時間。但靜態(tài)分析可以確定程序在最壞情況下的執(zhí)行時間，即程序最大執(zhí)行時間是否滿足時間約束。由于實時系統(tǒng)需要在任何情況下都在指定期限前完成任務(wù)，計算程序的最大執(zhí)行時間具有非常重要的意義。

動態(tài)實時檢測就是通過執(zhí)行程序來測試程序的時間特性。在線仿真器ICE、指令仿真器和插樁工具是三種最常用的方法。

實時性使得嵌入式軟件的測試用例編寫不僅要測試軟件的功能和行為特性，還要測試其時間特性，這給傳統(tǒng)的測試用例生成方法帶來了新問題。

（2）嵌入性對嵌入式軟件可靠性的影響

嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境的不一致，也給嵌入式軟件可靠性的測試帶來了不少麻煩。一方面，測試工具運行在宿主機上，測試所需要的信息在目標機上產(chǎn)生，并通過一定的物理/邏輯連接傳輸?shù)剿拗鳈C上，由測試工具接受。因此，嵌入式軟件測試的一個重要問題是建立宿主機與目標機之間的物理/邏輯連接，解決數(shù)據(jù)信息的傳輸問題。

另一方面，即使在宿主機環(huán)境下測試再充分，也不能說明在目標機環(huán)境下該軟件運行不出問題。因而，嵌入式軟件還面臨著目標環(huán)境的測試。這不僅增加了測試的代價，而且還帶來了嵌入式軟件測試策略問題，即哪些測試分配在宿主環(huán)境進行，哪些測試分配到目標環(huán)境下運行。

（3）反應(yīng)性對嵌入式軟件可靠性的影響

反應(yīng)性系統(tǒng)在任何時刻都要對可能出現(xiàn)的時間作出適當(dāng)反應(yīng)。由于“激勵-響應(yīng)”在反應(yīng)式系統(tǒng)中占主要地位，因此這類系統(tǒng)包含大量復(fù)雜的控制行為。

并發(fā)性是反應(yīng)式系統(tǒng)最重要也是最基本的特征，任何反應(yīng)式程序中均包含若干并發(fā)進程。所以，反應(yīng)式不能簡單的將它定義為輸入和輸出數(shù)據(jù)的函數(shù)，而需要表示為一個輸入和輸出序列的二元組。

4.提高嵌入式系統(tǒng)軟件可靠性方法

（1）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案

嵌入式系統(tǒng)最大的特點是以控制為主，軟硬件結(jié)合較多，功能性操作較多，模塊互相調(diào)用較多，外部工作環(huán)境復(fù)雜，容易受到干擾或干擾別的設(shè)備，且執(zhí)行錯誤的后果不僅僅是數(shù)據(jù)錯誤而且有可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰等不可估量的災(zāi)難。在設(shè)計過程中需注意軟硬件接口之間的冗余和預(yù)防性設(shè)計，可采用看門狗電路、狀態(tài)保存等恢復(fù)技術(shù)；軟件鎖設(shè)計、程序陷阱設(shè)計等抗干擾技術(shù)以及備份技術(shù)有效的進行系統(tǒng)容錯設(shè)計。

（2）嚴格的軟件測試

軟件可靠性測試是在軟件生存周期的系統(tǒng)測試階段提高軟件可靠性水平的有效途徑。各種測試方法、測試技術(shù)都能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致軟件失效的缺陷，排除這些缺陷后，一般來講一定會實現(xiàn)軟件可靠性的增長，但是排除這些缺陷對可靠性的提高的作用卻是不一樣的。其中，軟件可靠性測試能最有效地發(fā)現(xiàn)對可靠性影響大的缺陷，因此可以有效地提高軟件的可靠性水平。

5.嵌入式軟件測試的關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)處理。在程序源代碼被編譯之前，由預(yù)處理器對程序源代碼進行的處理。這個過程并不對程序的源代碼進行解析，但它把源代碼分割或處理成為特定的符號用來支持宏調(diào)用。如果測試的源代碼是匯編的，要將短跳轉(zhuǎn)改成長跳轉(zhuǎn)。

詞法語法分析。詞法分析負責(zé)將源程序中的若干字符劃分為若干記號，語法分析負責(zé)從若干記號中完成程序結(jié)構(gòu)分析，識別出函數(shù)體、語句、表達式、關(guān)鍵字、程序分支等。

插樁技術(shù)。一般對程序進行動態(tài)測試時，使用程序插樁來進行覆蓋測試，使被測試程序在保持原有邏輯完整性基礎(chǔ)上在程序中插入一些探針函數(shù)即插樁語句，它是一個子過程調(diào)用，調(diào)用的子過程能在運行到插樁點時記錄下有關(guān)的運行情況?；谶@些運行情況的分析，可以獲得程序執(zhí)行過程中變量值的變化情況，也可以用來檢測程序的分支覆蓋和語句覆蓋等覆蓋信息。

6.嵌入式軟件測試系統(tǒng)

被測試程序首先經(jīng)過預(yù)處理，主要是進行宏替換和將短跳轉(zhuǎn)改為遠跳轉(zhuǎn)。然后進行語法詞法分析，對整個程序進行掃描后，生成相互有關(guān)聯(lián)的鏈表，確定插樁函數(shù)的位置，在一些關(guān)鍵的字段和函數(shù)中插入樁，然后編譯生成含有插樁函數(shù)的目標文件。在動態(tài)測試的集成環(huán)境中，用戶選擇需要測試類型是分支覆蓋還是語句覆蓋，相應(yīng)的生成一個記錄了該測試類型中所有函數(shù)的位置或者ID號的插樁文件，并自動生成相應(yīng)的測試用例。根據(jù)插樁選擇記錄文件激活相應(yīng)的插樁函數(shù)。系統(tǒng)運行后，將得到的信息返回給測試機，將測試結(jié)果記錄到事先確定的緩沖區(qū)或文件中。測試人員就能根據(jù)測試結(jié)果與期望值相比較來判定覆蓋情況是否滿足要求了。若不能滿足要求，就利用工具進行覆蓋情況分析，找出未覆蓋目標，根據(jù)控制流圖，找出到達此目標的路徑，依據(jù)此路徑上各分支節(jié)點要到達此目標應(yīng)滿足的條件，設(shè)計新的測試用例，以增加覆蓋率，最后將結(jié)果以GUI的形式顯示。

全面提高嵌入式軟件的質(zhì)量、可靠性、安全性，需要提高嵌入式軟件開發(fā)人員的素質(zhì)。開發(fā)策略、程序設(shè)計、測試手段、安全分析、代碼審核都要規(guī)范，避免開發(fā)工作的隨意性、盲目性。

[1]李伯成.嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]武曄卿.嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)及案例解析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.